Elektroflug für HG + GS Free Flight 2008 Garmisch 15.03.2008

Inhalt Vortragsziele Elektroflug für HG + GS – Warum überhaupt? Einschränkungen bei verfügbaren Startplätzen Stand der Entwicklung von Elektroantrieben Neue Chancen durch Elektroantriebe Was kann ein Elektroantrieb heute im GS/HG-Flug leisten? Realistische Flughöhen + Flugzeiten mit Elektroantrieb heute Entwicklungsrichtungen des Elektroflugs Spezifikation eines Elektroantriebs für Sport-HG/GS-Flieger Antriebsgewicht Sportausführung Motor für 1,5 m/s Steigen Der Akkumulator Der Propeller Der eigensichere Antrieb Pilotensicherheit Die Sache mit den Kosten

Vortragsziele Information für potentielle Elektropiloten und DHV-, SHV-Aktive über den aktuellen Stand der Technik. Begeisterung soll Aktivität beim DHV + SHV fördern, sich für die Sache zu engagieren (neue vereinfachte Startklasse, Motorzulassung). Interesse wecken bei im Markt positionierten Firmen, ihr Produktprogramm um Elektroantriebe zu erweitern. Erkennen der Chancen, die sich allen Leichtfliegern durch Elektroantriebe eröffnen.

2. Elektroflug für HG + GS - Warum überhaupt? Fliegen ohne Motorantrieb ist das schönste Hobby auf der Welt. Achtung Suchtgefahr ! Tausende lernen es jährlich aber Tausende geben es auch wieder auf mangels Fluggelegenheit. Zig Tausende vernachlässigen Partnerschaften und Familie, um ihr Hobby auszuüben. Hindernisse Mangelnde Start-Gelegenheit, aufwendige teure Anreise Verfügbare Termine – Wetterrisiko Familienzeit, Arbeitszeit – Flugzeitkonflikt Kosten pro Flugminute extrem

3. Einschränkungen bei verfügbaren Startplätzen Gebirgsflug/Hangstart: 90% wohnen gebirgsfern, windrichtungsabhängig, Massenbetrieb an guten Tagen Liftgebühren, hohe Anfahrtskosten für Flachländer Windenschlepp: großer Zeitaufwand, Abhängigkeit von anderen/Verein, Massenbetrieb an guten Tagen, 2 von 3 Starts -> Absaufer Motorstart mit 2-Takter: Sonderstartplätze/Flugplatz nötig sehr schwere Ausrüstung hohes Lärmniveau für Pilot + Umwelt Umweltbelastung durch Abgase + Benzin unsicherer Motorlauf EIN ELEKTROANTRIEB KANN HELFEN!

4. Stand der Entwicklung von Elektroantrieben Elektroflug ist technisch und kostenmäßig heute bereits machbar und sinnvoll Noch in 2008 werden aus Prototypen Serienprodukte Es gibt weltweit 5 – 6 Entwicklungsgruppen mit fliegenden Mustern Deutschland: Richard-Krüger-Sprengel (Helix) Kanada: Csaba Lemak/Patrick Mac Kansie England: Neil Andrews Frankreich: Fa. Razeebuss China: Fa. Yuneec Deutschland: Werner Eck + Fa. Geiger Engineering

5. Neue Chancen durch Elektroantriebe Unabhängig von anderen wählt man Startort Startzeitpunkt Startrichtung Starthöhe, auch mehrfach Die „Startart Elektro“ ist der Einstieg in das wirklich Unabhängige, umweltfreundliche Fliegen Aktion in der Schweiz (SHV): Versuch der Zulassung E-Flug bei HG/GS Umfrageergebnisse: > 80% bei Piloten +

6.1 Was leistet ein Elektroantrieb heute im GS/HG-Flug? Leistungsmaß : theoretisch erreichbare Höhe bei Windstille oder : Flugzeit bei Windstille Einflussgrößen: - Gesamtgewicht - verfügbare elektrische Energie - Wirkungsgrad von Fluggerät, Propeller, Motor + Regler, Akku vs ηp ηM ηA 0,6 – 1,6 m/s 0,3 – 0,65 0,8 – 0,95 0,85 – 0,92

6.2 Was leistet ein Elektroantrieb heute im GS/HG-Flug? Hmax = verfügbare Energie - Sinkgeschwindigkeit x Steigzeit Gesamtgewicht T max = verfügbare Energie + Steighöhe erforderliche Leistung Sinkgeschwindigkeit

7. Realistische Flughöhen + Flugzeiten mit Elektroantrieb heute Gg Vs Vst Pm Flughöhe Flugzeit Reichweite Fluggerät [kg] [m/s] ηp [kw] [m] [min] [km] Gleitschirm 120 1,4 1 0,5 6 900 26 15   (2) 0,46 9,1 1168 22 Drachen 150 1,2 0,58 5,7 911 28 21 2 0,52 9,2 1123 25 Starrflügler HG 160 0,85 0,61 4,9 1068 38 34 0,55 8,2 1250 35 Bei Windstille Akkumulator 1,6 kWh GB = 12 – 16 kg

8. Entwicklungsrichtungen des Elektroflugs Sightseeing lang + weit fliegen in ruhiger Luft Sportfliegen in den Aufwind kommen in dynamischer Luft Auf „Reisehöhe“, dann Motor 40% Flott steigen, dann Motor aus (ggfs. mehrfach) große, schwere Batterie Ladegerät evtl. an Bord möglichst leichter, kleiner Akku wechselbar Klapppropeller Standardschirm Gurtzeug ähnlich Standard Minimalkäfig Startplätze in der Nähe von Aufwindgebieten vergleichbar Hang- oder Windenstart geringer Lärmpegel (Anrainer, Jadgpächter, Wildtiere)

9. Spezifikationen eines Elektroantriebes für Sport – HG/GS-Flieger Antriebsgewicht < 30% Körpergewicht Steiggeschwindigkeit ≥ 1,5 m/s Bestmöglicher Wirkungsgrad des Antriebssystems incl. Propeller Antrieb eigensicher – auch Batterie Universalgurtzeug, -schirm, -rettung Sehr niedriger Lärmpegel, niedrige Frequenzen Vergleichbare passive Pilotensicherheit mit/ohne Antrieb Geringe Betriebskosten/Kein Verschleiß Einfache, saubere Transportmöglichkeit Erfüllung aller vom DHV noch zu spezifizierenden Anforderungen der Startart „Elektro“

10. Antriebsgewicht Sportausführung Referenzpilot 80 kg Antriebsgewicht < 24kg ! + A Propeller (1kg) R - M Gestell 2 kg Antriebsgewicht: 16,5 – 22,5 kg Akkumulator 8 - 13 kg 1 – 1,6 kWh (Käfig) 1,5 kg Motor + Steller 4 – 5 kg 8-10 kW

11. Motor (für 1,5 m/s Steigen)   Fs Propellerleistung Motorleistung elektr. Leistung Starrflügler HG 270 N 4,10 KW 6,9 KW 7,6 KW flexibler HG 324 N 4,05 KW 7,0 KW 7,7 KW Gleitschirm 363 N 3,45 KW 7,5 KW 8,3 KW * * bevorzugte Spannung < 60 V geeignete Motoren: bürstenlose Außenläufer mit Getriebe (Plettenberg, Hacker u.a.) bürstenloser vielpoliger Außenläufer Direktantrieb (HP Direct 10) bedingt geeignet: DC-Scheibenläufermotoren (hohes Gewicht) * bei hoch effektiven Propellern

12.1 Der Akkumulator Ausschließlich Lithium – Technologie erfüllt die Gewichtsanforderungen Lithium – Ionen – Becherzellen 9kg/kWh Lithium – Polymer – Plattenzellen 7kg/kWh Benzin 0,1 kg/kWh Sehr wenige Li-Akku-Typen erfüllen die extremen Anforderungen im Flugantrieb Hohe Strombelastbarkeit von 6 – 10C bei Entladezeit in 6-10 min Hohe Spannungslage über die gesamte Entladezeit Sicherheit gegen Brand/Explosion in allen Situationen Hohe Zyklen- und Zeitlebensdauer (> 500 Zyklen, 5 Jahre für 80%) Geringstes Gewicht/Leistung und Gewicht/Energie bezahlbar Die Entwicklung besserer und billigerer Akkumulatoren geht rasch voran durch die Kfz-Hybrid-Technologie

12.2 Der Akkumulator (V) normierte Kapazität 25 Ah 58 V X AT1 X X 49 V AT1: Akku Typ 1 AT2: Akku Typ 2 AT3: Akku Typ 3 (V) normierte Kapazität 25 Ah 58 V X AT1 X X 49 V X X X X X AT3 AT2 40 V X X X Zeit (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Entladecharakteristik am Flugmotor HP Direct 10 mit E-Prop 1,40m

13.1 Der Propeller Schuberzeugung Lärmentwicklung Großer Durchmesser Optimale Blattprofilierung geringe Umfanggeschwindigkeit geringe Belastung lärmarmes Profil Optimum bei D = 1,4m, 1600 -2000 Upm 10% dickes gewölbtes Blattprofil (MH 116) Erreichbare Wirkungsgrade: 0,45 (GS) – 0,61 (HG) Weiteres Verbesserungspotential: Mantelluftschraube

13.2 Der Propeller Leistungsbedarf für 350 N Schub bei 10 m/s (Profil MH 116) Machzahl kw X 8,3 8 0,6 X 0,59 X 7,3 7 X 0,51 0,5 X 6,8 X 0,47 X 6,6 X 6,4 X 0,43 6 X 0,40 0,4 X 0,38 X 0,37 1 3850 1,1 1,2 2720 1,3 1,4 2040 1,5 1,6 1595 1,7 Durchmesser (m) Drehzahl Upm

E-Lift Telemetriedaten geflogen am 10.03.08 mit einem Atos VR Air Magdeburg/Dr. Werner Eck

14. Der eigensichere Antrieb Unbeabsichtigter Anlauf muss ausgeschlossen werden können Sicherer und schneller Stop auch in Stress-Situationen Kontinuierliche Überwachung aller relevanten Betriebsgrößen (U, I, T) im Flug Selbstabschaltung bzw. Drosselung bei Grenzwertüberschreitungen Drahtbruchsicherheit Verpolungssicherheit des Akkumulators Eigensicherheit des Akkumulators Propellerschutz/Käfig ergonomisches Gestell Dies erfordert ein eigenes, auf die hohen Anforderungen abgestimmtes Steuerungs- und Überwachungssystem

15. Pilotensicherheit   Der passive Schutz des Piloten durch geeignetes Gurtzeug muss möglich sein. Neuartige Gestellkonstruktion erforderlich Ziel: Universalgurtzeug, -schirm und -rettung  

16. Die Sache mit den Kosten Betriebskosten • Energiekosten - 15,3 ct/kWh ∙ 1,7 kWh = 0,26 €   • Akkuabschreibung • Wartungskosten - keine 3,14 € pro Start auf ca. 1.000 m Anschaffungskosten Prognose für Serie inkl. MWSt Gesamtpreis: 5000,-€ bis 7000,-€ Bestehend aus: Antrieb Motor Managementsystem Faltpropeller 1,4 m Ø Akkumulator Akkumanagementsystem   KOSTEN pro Flugstunde sinken dramatisch

17. Profil Dr. Werner Eck 61 Jahre, Maschinenbau, Aerodynamik TL/GF Mittelständischer Maschinenbauer Seit 2004 freiberuflicher Entwickler Elektroantriebe Seit 2005 Entwicklung von GS-E-Antrieben Hobby: Fliegerei: Flugmodelle, Segelflug, Gleitschirmflug Verein: NBDF Nordbayerische Drachenflieger

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Entwicklung elektrischer Antriebe Dr. Ing. Werner Eck Hinterer Steinig 9 91332 Heiligenstadt Tel. 09198/998280 E-Mail: werner.eck@gmx.org